DE102014017552A1

DE102014017552A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform von Partikeln in einem Partikelstrom

Info

Publication number: DE102014017552A1
Application number: DE102014017552.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Beil; Stephan Knop
Original assignee: Retsch Technology GmbH
Current assignee: Microtrac Retsch GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016058699A1; EP3207356A1; US10184875B2; EP3207356B1; US20170315039A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, von Partikeln (2) in einem Partikelstrom (3), mit einer Zuführeinrichtung (4) zum Zuführen der Partikel (2) zu einer Messzone (5), wobei die Partikel (2) die Messzone (5) durchströmen, mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (6) zum Beleuchten der Messzone (5), mit wenigstens zwei Kameraeinrichtungen (7, 8), die jeweils einen der dementsprechenden Kameraeinrichtung (7, 8) zugeordneten Messbereich (9, 10) der Messzone (5) aufnehmen, wobei eine erste Kameraeinrichtung (7) einen ersten, vorzugsweise größeren, Messbereich (10) mit einer ersten, vorzugsweise geringeren, Vergrößerung aufnimmt und eine zweite Kameraeinrichtung (8) einen zweiten, vorzugsweise kleineren, Messbereich (9) mit einer zweiten, vorzugsweise stärkeren, Vergrößerung aufnimmt, mit einer Abbildungsoptik (11) zur Abbildung der Messbereiche (9, 10) und mit einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform aus den Aufnahmen der Messbereiche (9, 10). Erfindungsgemäß weist die Abbildungsoptik (11) wenigstens ein optisches Element (13) auf, an dem und/oder von dem die von der Messzone (5) ausgehende Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile aufgeteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, von Partikeln in einem Partikelstrom, mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen der Partikel zu einer Messzone, wobei die Partikel die Messzone durchströmen, mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten der Messzone, mit wenigstens zwei Kameraeinrichtungen, die jeweils einen der entsprechenden Kameraeinrichtung zugeordneten Messbereich der Messzone aufnehmen, wobei eine erste Kameraeinrichtung einen ersten, vorzugsweise größeren, Messbereich mit einer ersten, vorzugsweise geringeren, Vergrößerung aufnimmt und eine zweite Kameraeinrichtung einen zweiten, vorzugsweise kleineren, Messbereich mit einer zweiten, vorzugsweise stärkeren, Vergrößerung aufnimmt, mit einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform aus den Aufnahmen der Messbereiche und mit einer Abbildungsoptik zur Abbildung der Messbereiche. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform von Partikeln in einem Partikelstrom, bei dem die Partikel eine Messzone durchströmen, wobei die Messzone von einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird, wobei von wenigstens zwei Kameraeinrichtungen jeweils ein der entsprechenden Kameraeinrichtung zugeordneter Messbereich der Messzone aufgenommen wird, wobei von einer ersten Kameraeinrichtung ein erster, vorzugsweise größerer, Messbereich mit einer ersten, vorzugsweise geringeren, Vergrößerung aufgenommen wird und von einer zweiten Kameraeinrichtung ein zweiter, vorzugsweise kleinerer, Messbereich mit einer zweiten, vorzugsweise stärkeren, Vergrößerung aufgenommen wird, wobei mittels einer Auswertungseinrichtung die Partikelgröße und/oder die Partikelform aus den Aufnahmen der Messbereiche bestimmt wird und wobei die Messbereiche mittels einer Abbildungsoptik abgebildet werden.
Vorrichtungen der vorgenannten Art dienen dazu, Partikel eines Partikelgemisches hinsichtlich ihrer Größe und/oder ihrer Form zu charakterisieren. Ein typischer Einsatzbereich derartiger Vorrichtungen ist beispielsweise die Qualitätskontrolle bei der Produktion oder der Verwendung von partikelförmigen Materialien. Dabei ist es in aller Regel so, dass die Partikel des Partikelgemisches zunächst von einer Zuführeinrichtung vereinzelt und einer Messzone zugeführt werden, die von den Partikeln in Form eines Partikelstroms durchquert wird. Im Bereich der Messzone werden die Partikel durch eine geeignete Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und von einer Detektionseinrichtung, beispielsweise einer digitalen Matrix-Kamera, elektro-optisch erfasst. Die Beleuchtung findet dabei vorzugsweise stroboskopisch statt, wobei als Lichtquellen bevorzugt Leuchtdioden oder Halbleiterlaser eingesetzt werden. Üblicherweise werden von der Zuführeinrichtung kommende Partikel durch die Schwerkraft beschleunigt und zwischen Lichtquelle und Bildaufnahmegerät durch den Detektionsbereich bewegt. Auf diese Weise wird eine Schattenprojektion der Partikel im Bildaufnahmegerät erzeugt. Aus den erfassten Bildern der Schattenprojektionen werden mittels einer Auswertungseinheit im Anschluss Form- und Größenkennwerte bestimmt bzw. berechnet.
Zur Erfassung eines möglichst breiten Spektrums von Partikelgrößen wird ein möglichst großer dynamischer Messbereich angestrebt. Darunter wird der Quotient aus der oberen und der unteren Messgrenze verstanden, das heißt aus der maximal und minimal erfassbaren Partikelgröße. Aus der DE 198 02 141 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, die dieses Ziel durch den Einsatz von zwei oder mehr Matrix-Kameras mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben verfolgt. Eine weitere Verringerung der unteren Messgrenze wird durch eine in der EP 1 972 921 A1 beschriebene Vorrichtung erreicht. Die dort beschriebene Vorrichtung weist zwei Lichtquellen auf, die zwei Messzonen möglichst optimal beleuchten. Die Messzonen werden dabei mit zwei verschiedenen Vergrößerungen aufgenommen, wobei die kleinere, mit höherer Vergrößerung aufgenommene Messzone deutlich stärker beleuchtet wird als die größere, mit geringerer Vergrößerung aufgenommene Messzone. Aus den zwei Paarungen von Lichtquellen und Bildaufnahmeeinheiten ergeben sich somit zwei unabhängige Strahlengänge. Dabei sind beide Strahlengänge so angeordnet, dass sich die kleinere Messzone im Zentrum der größeren Messzone befindet. In Verbindung mit den äußeren Abmessungen der verwendeten Objektive ergibt sich hieraus eine Kreuz-Geometrie für beide Strahlengänge. Als Folge der gekreuzten Strahlengänge sind die Sichtfelder der Kameras und damit die Objektebenen der entsprechenden Abbildungen gegeneinander verkippt. Aus dem Umstand, dass der Partikelstrom demnach nicht parallel zu beiden Kamera-Bildsensoren bzw. Objektebenen verläuft, ergibt sich eine Einschränkung des Messvolumens beider Messbereiche der Messzone. Das Messvolumen ist hierbei das Volumen, in dem eine Partikelauswertung anhand der Abbildung auf der Bildebene, das heißt dem Bildsensor der Kamera, möglich ist. Die Einschränkung des Messvolumens kann unter Umständen die Detektionswahrscheinlichkeit für kleine Partikel und damit die Auswertungsstatistik beeinflussen.
Darüber hinaus ist eine Anordnung mit gekreuzten Strahlengängen nachteilig bei der Verwendung von zusätzlichen Glasoberflächen, beispielsweise in Form einer Durchflussküvette, im Bereich der Messzone, da es bei nicht senkrechtem Einfall von Strahlenbündeln auf die Grenzfläche zweier Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zu einem räumlichen Versatz der Strahlenbündel kommt. Dies kann letztlich zu einer optischen Verzerrung des aufgenommenen Bildes führen.
Um aus den erfassten Bildern die tatsächlichen Form- und Größenkennwerte der Partikel des Partikelstroms ermitteln zu können, ist es notwendig, das Kamerabild zuvor mit einem Kalibrationsnormal zu kalibrieren. Im Fall gekreuzter Strahlengänge führt dies zu einem erheblichen Justageaufwand, da für jeden Strahlengang ein Kalibrationsnormal senkrecht zum entsprechenden Strahlengang mit hoher Präzision in die Messzone eingebracht werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform von Partikeln in einem Partikelstrom jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei denen ein hoher dynamischer Messbereich bei hoher Genauigkeit der Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform sichergestellt ist. Darüber hinaus soll der Justageaufwand bei der Kalibration der Vorrichtung im Vergleich zu der aus der EP 1 972 921 A1 beschriebenen Vorrichtung deutlich geringer sein. Die Vorrichtung soll sich zudem durch einen sehr kompakten Aufbau bei geringer Baugröße auszeichnen.
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Abbildungsoptik wenigstens ein optisches Element aufweist, an dem und/oder von dem die von der Messzone ausgehende Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile aufgeteilt wird. Die Messbereiche befinden sich hierbei in wenigstens einer Objektebene. Die Objektebene wird durch die Abbildungsoptik in wenigstens zwei vorzugsweise nicht parallelen Bildebenen abgebildet. Zwei parallele Bildebenen sind aber nicht ausgeschlossen. In den Bildebenen befinden sich die Bildsensoren der Kameraeinrichtungen. Es versteht sich, dass zwischen der Messzone und dem optischen Element einerseits und dem optischen Element und der jeweiligen Kameraeinrichtung andererseits optische Einrichtungen der Abbildungsoptik, insbesondere Linsen, vorgesehen sein können. Der beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die Bestimmung der Partikelgröße und/oder -form mit einer hohen Genauigkeit bei einem hohen dynamischen Messbereich.
Das optische Element bzw. die optische Einrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Strahlteiler auf. Ein Strahlteiler weist in der Regel eine Grenzfläche auf, an der das einfallende Licht zu einem gewissen Teil reflektiert wird, während der verbleibende Teil der Lichtstrahlen durch die Grenzfläche hindurchtritt. Ein halb- bzw. teildurchlässiger Spiegel stellt eine einfache Form eines Strahlteilers dar.
Eine Form eines Strahlteilers ist beispielsweise eine Anordnung von zwei Prismen, die an ihrer Basis durch ein Verbindungsmittel, beispielsweise ein Harz, zusammengekittet sind, wodurch sich genähert eine Quaderform ergibt. Ein solcher Strahlteiler funktioniert nach dem Prinzip der verhinderten Totalreflexion. Die Dicke der Verbindungsschicht und/oder das Harzmaterial bestimmt das Verhältnis, in dem die einfallende Lichtintensität aufgeteilt wird.
Neben der reinen Intensitätsaufteilung durch das optische Element ist es denkbar, die Abbildungen wellenlängenabhängig voneinander zu trennen. Beispielsweise kann für eine spektrale Aufteilung der Bilder die Beleuchtungseinrichtung wenigstens zwei verschiedenfarbige Lichtquellen aufweisen. ”Verschiedenfarbig” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Lichtquellen Licht im Wesentlichen in zwei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen emittieren. Der Wellenlängenabstand der Emissionsmaxima der jeweiligen Wellenlängenbereiche beträgt hinsichtlich einer guten Trennung der Abbildungen vorzugsweise wenigstens 50 nm, weiter vorzugsweise wenigstens 100 nm, besonders bevorzugt wenigstens 150 nm. Für die Trennung der Abbildungen kann ein dichroitisches optisches Element, insbesondere ein dichroitisches Prisma, dienen, das Licht wenigstens eines Wellenlängenbereichs transmittiert und Licht wenigstens eines anderen Wellenlängenbereichs vorzugsweise vollständig reflektiert. Eine Anpassung der Beleuchtungsintensität der Messbereiche kann somit einerseits durch die Auswahl der Wellenlänge unter Einbeziehung der spektralen Sensitivität der Bildsensoren der Kameraeinrichtung erfolgen. Des Weiteren können schmalbandige Filter, beispielsweise Interferenzfilter, mit einer definierten optischen Dichte zu diesem Zweck eingesetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Separation der Abbildungen stellt der Einsatz polarisierten Lichts dar. Voraussetzung hierfür ist, dass die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine Lichtquelle aufweist, die Licht mit einer definierten Polarisation emittiert. Eine Anpassung der auf die verschiedenen Bildebenen auftreffenden Lichtintensität kann dann durch den Einsatz von wenigstens einem Polarisationsfilter oder wenigstens einem Polarisationsfilter in Verbindung mit wenigstens einer Wellenlängenverzögerungsplatte, insbesondere einer λ/2-Platte, erreicht werden. Es ist in diesem Zusammenhang denkbar, als optisches Element zur Strahlungsaufteilung beispielsweise einen polarisierenden Strahlteiler vorzusehen, bei dem das Teilungsverhältnis durch den Polarisationswinkel des eintretenden Lichts bestimmt wird, sofern dieses linear polarisiert ist.
Es ist zudem möglich, eine Intensitätsaufteilung mittels anderer optischer Elemente zu erreichen. Beispielsweise lässt ein Lochspiegel den inneren Teil eines aufgeweiteten Lichtstrahls ungehindert durch eine Öffnung in der Spiegeloberfläche hindurchtreten, während der äußere, ringförmige Bereich des Strahlquerschnitts in einem einstellbaren Winkel reflektiert wird. Das Teilungsverhältnis der Intensitäten hängt dabei im Wesentlichen vom Durchmesser der Öffnung ab.
Um eine Beleuchtung der Messzone mit Licht in definierten Wellenlängenbereichen zu gewährleisten, werden als Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise Leuchtdioden (LEDs) und/oder Halbleiterlaser eingesetzt. Neben einer Emission von Licht in einem äußerst schmalen Wellenlängenbereich zeichnen sich letztere zusätzlich durch die Emission von polarisiertem Licht aus.
Zur homogenen Ausleuchtung der Messzone kann die Beleuchtungseinrichtung zwischen der Lichtquelle oder den Lichtquellen und der Messzone vorzugsweise wenigstens ein Diffusorelement, insbesondere eine Diffusorlinse, aufweisen.
Die Messbereiche können sich in einer gemeinsamen Objektebene oder in zwei unterschiedlichen Objektebenen befinden. Vorzugsweise sieht die Erfindung eine Split-View-Optik vor, bei der die von der Messzone bzw. den Messbereichen ausgehenden Strahlenbündel bis zum optischen Element der Abbildungsoptik streckenweise parallel zu einer optischen Achse verlaufen. Die Messbereiche befinden sich dann in zwei parallelen Objektebenen oder, vorzugsweise, in einer gemeinsamen Objektebene, wobei die Hauptbewegungsrichtung der Partikelströmung in der Messzone parallel zu den Objektebenen bzw. der gemeinsamen Objektebene verläuft. Hierdurch sinkt der Justageaufwand bei der Kalibration der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Erfindungsgemäß ist es hierzu nicht erforderlich, die beiden Kameraeinrichtungen, so wie in der DE 198 02 141 C1 beschrieben, nebeneinander anzuordnen, woraus ein sehr kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung resultiert.
Nach der Aufteilung der Strahlenbündel an und/oder von dem optischen Element können durch die Auswahl geeigneter Linsensysteme wenigstens zwei unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe für die aufgenommenen Messbereiche erreicht werden. Bei Einsatz von digitalen Matrix-Kameras ergeben sich bei gleicher Größe der Bildsensoren bei wenigstens zwei unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben wenigstens zwei unterschiedlich große Messbereiche. Vorzugsweise liegt ein zweiter Messbereich, der mit einer stärkeren Vergrößerung aufgenommen wird, innerhalb eines ersten Messbereiches, der mit einer geringeren Vergrößerung aufgenommen wird. Weiter vorzugsweise liegt der zweite Messbereich in der Mitte des ersten Messbereiches. Der zweite Messbereich ist vorzugsweise eine Teilmenge des ersten Messbereiches.
Aus dem sich beidseitig einer Objektebene entlang der optischen Achse erstreckende Schärfentiefebereich der Abbildung, in dem eine für die Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform ausreichende Abbildungsschärfe gegeben ist, ergibt sich zusammen mit dem jeweiligen Messbereich ein Messvolumen. Durch die Auswahl geeigneter Linsensysteme und/oder durch eine Verschiebung der jeweiligen Kameraeinrichtung und bedarfsweise des vorgelagerten Linsensystems relativ zur Messzone entlang der optischen Achse ist es möglich, den Abstand der Objektebenen voneinander derart einzustellen, dass das Messvolumen des stärker vergrößerten Messbereichs vollständig im Messvolumen des weniger stark vergrößerten Messbereichs liegt. Dadurch ist ein hoher dynamischer Messbereich bei hoher Genauigkeit der Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform sichergestellt. Insbesondere ist von Vorteil, wenn die Objektebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die entsprechenden Messvolumina zentriert geschnitten werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der Bestimmung weiter verbessern.
Das optische Element kann derart ausgebildet sein, dass die resultierenden Strahlungsteile unterschiedliche Lichtintensitäten aufweisen. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass der von der zweiten Kameraeinrichtung aufgenommene zweite Messbereich, vorzugsweise der kleinere und mit stärkerer Vergrößerung aufgenommene Messbereich, mit einer höheren Intensität ausgeleuchtet wird als der von einer ersten Kameraeinrichtung aufgenommene erste Messbereich, vorzugsweise der größere und mit weniger starker Vergrößerung aufgenommene Messbereich. Hierdurch wird erreicht, dass jeder Messbereich mit einer ausreichend hohen Intensität bzw. Lichtmenge ausgeleuchtet wird. Das Verhältnis der Intensitätsaufteilung auf die beiden Strahlungsteile kann dabei so gewählt werden, dass möglichst gleiche Verstärkungseinstellungen bzw. Gain-Werte für alle Kameraeinrichtungen verwendet werden können.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wenigstens ein weiteres optisches Element zur Aufteilung eines an dem ersten optischen Element erzeugten Strahlungsteils in zwei weitere Strahlungsteile und wenigstens eine weitere Kameraeinrichtung vorgesehen. In diesem Fall werden wenigstens drei Messbereiche mit drei Kameraeinrichtungen aufgenommen, wobei die Messbereiche in drei Objektebenen angeordnet sind. Die Objektebenen können wiederum parallel zueinander angeordnet sein oder zusammenfallen. Vorzugsweise ist es möglich, zwei Messbereiche mit einer gleichen Vergrößerung aufzunehmen.
Zwei Messbereiche können in Objektebenen angeordnet sein, die in Richtung der optischen Achse voneinander beabstandet sind. Dadurch ist es möglich, dass die Messvolumina der beiden Messbereiche ineinander übergehen, so dass sich ein breiterer durchgehender Bereich mit für die Auswertung ausreichender Abbildungsschärfe ergibt.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Messvolumina der beiden Messbereiche übereinstimmen.
Es versteht sich, dass durch von mehr als zwei optischen Elementen und einer entsprechenden Anzahl weiterer Kameraeinrichtungen weitere Messvolumina entlang der optischen Achse in gleicher Weise aufgenommen werden können, so dass sich eine entsprechend größere Ausdehnung des detektierbaren Volumens entlang der optischen Achse ergibt. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Partikel durch den detektierbaren Bereich bewegt und damit erfasst werden kann, wird dadurch entsprechend erhöht. Dies ist insbesondere von Bedeutung im Fall eines kleineren, mit stärkerer Vergrößerung abgebildeten Messbereichs.
Die Abbildungsoptik kann wenigstens zwei optische Elemente aufweisen, wobei ein optisches Element Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile mit gleichem Spektrum bzw. gleicher Farbe und/oder gleicher Polarisation und ein anderes optisches Element Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile mit unterschiedlichen Spektren bzw. Farben und/oder unterschiedlichen Polarisationen aufteilt. An dem ersten optischen Element kann beispielsweise eine Aufteilung der Lichtstrahlung in zwei Strahlungsteile erfolgen, was es zulässt, zwei Messbereiche mit unterschiedlicher Vergrößerung und, vorzugsweise, bei unterschiedlicher Beleuchtungsintensität, aufzunehmen. Einer der beiden Strahlungsteile wird an dem zweiten optischen Element weiter aufgeteilt in zwei weitere Strahlungsteile mit unterschiedlichen Spektren bzw. Farben und/oder unterschiedlichen Polarisationen. Dies lässt einen Zugang zu spektralen bzw. chromatischen Informationen simultan zur räumlichen Abbildung zu.
Durch die Wahl von Kameraeinrichtungen mit unterschiedlichen Detektionseigenschaften, wobei diese insbesondere eine unterschiedliche Sensitivität in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts beinhalten, wird beispielsweise der Zugang zu spektralen bzw. chromatischen Informationen simultan zur räumlichen Abbildung ermöglicht.
Die Abbildungsoptik kann darüberhinaus wenigstens eine Linse mit einer variablen Brennweite aufweisen. Die Brennweite der Linse kann hierbei insbesondere elektrisch veränderbar sein. Dies ermöglicht eine Veränderung der abbildenden Eigenschaften der Abbildungsoptik im laufenden Betrieb, insbesondere ohne dass optische Komponenten, insbesondere Linsen, durch manuelle Eingriffe in den Aufbau ausgetauscht werden müssen.
Zur Verbesserung der optischen Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik kann wenigstens ein Achromaten-Doublett vorgesehen sein, um das Auftreten chromatischer Aberrationen zu vermindern. Zur Vermeidung sphärischer Aberrationen kann die Abbildungsoptik wenigstens eine asphärische Linse aufweisen.
Darüber hinaus kann die Abbildungsoptik vorzugsweise telezentrische Abbildungseigenschaften aufweisen. Wenigstens zwei unabhängige Aperturblenden können zur Einstellung von Schärfentiefebereichen und damit zur Einstellung der den Messbereichen zugeordneten Messvolumina dienen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit von einer Messzone der Vorrichtung ausgehenden Strahlenbündeln,
2 eine schematische Darstellung der relativen Lage von mit zwei Kameraeinrichtungen der Vorrichtung aus 1 aufgenommenen Messbereichen der Messzone,
3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine schematische Darstellung der relativen Lage von mit drei Kameraeinrichtungen der Vorrichtung aus 3 aufgenommenen Messbereichen der Messzone,
5 eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
6 eine schematische Darstellung der relativen Lage von mit vier Kameraeinrichtungen der Vorrichtung aus 5 aufgenommenen Messbereichen der Messzone.
In den 1 bis 6 sind alternative Ausführungsformen einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, von Partikeln 2 in einem Partikelstrom 3, mit einer Zuführeinrichtung 4 zum Zuführen der Partikel 2 zu einer Messzone 5 gezeigt, wobei die Partikel 2 die Messzone 5 durchströmen. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 eine Beleuchtungseinrichtung 6 zum Beleuchten der Messzone 5, wenigstens zwei Kameraeinrichtungen 7, 8, die jeweils einen der dementsprechenden Kameraeinrichtung 7, 8 zugeordneten Messbereich 9, 10 der Messzone 5 aufnehmen, eine Abbildungsoptik 11 zur Abbildung der Messbereiche 9, 10 und eine nicht dargestellte Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, aus den Aufnahmen der Messbereiche 9, 10 auf. Die eine Kameraeinrichtung 7 kann beispielsweise den größeren Messbereich 10 mit einer geringeren Vergrößerung aufnehmen, während die andere Kameraeinrichtung 8 den kleineren Messbereich 9 mit einer stärkeren Vergrößerung aufnimmt.
Abhängig von der Position der Kameraeinrichtungen 7, 8 und dem Aufbau und der Anordnung der optischen Komponenten der Abbildungsoptik 11 befinden sich die Messbereiche 9, 10 in parallelen Objektebenen 12, 13. Vorzugsweise fallen die Objektebenen 12, 13 in einer gemeinsamen Ebene zusammen. Die von der Messzone 5 bzw. den Messbereichen 9, 10 ausgehenden Strahlenbündel verlaufen bis zu einem optischen Element 14 der Abbildungsoptik 11 streckenweise parallel zu einer optischen Achse. Dies ist in den 1 bis 6 lediglich schematisch gezeigt.
An dem optischen Element 14 wird die von der Messzone 5 ausgehende Lichtstrahlung in zwei Strahlungsteile aufgeteilt. Die Objektebenen 12, 13 werden durch die Abbildungsoptik 11 jeweils in zwei vorzugsweise nicht parallele Bildebenen 15, 16 abgebildet. In den Bildebenen 15, 16 befinden sich die Bildsensoren der Kameraeinrichtungen 7, 8. Zwischen der Messzone 5 und dem optischen Element 14 einerseits und dem optischen Element 14 und der jeweiligen Kameraeinrichtung 7, 8 andererseits sind optische Komponenten der Abbildungsoptik 11, insbesondere Linsen 17 und Aperturblenden 18, vorgesehen. Der beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ermöglicht die Bestimmung der Partikelgröße und/oder -form mit einer hohen Genauigkeit bei einem hohen dynamischen Messbereich, wobei der Justageaufwand bei der Kalibration der Vorrichtung aufgrund der in parallelen oder vorzugsweise zusammenfallenden Objektebenen 12, 13 angeordneten Messbereiche 9, 10 gering ist.
Durch zusätzliche optische Komponenten der Abbildungsoptik 11, beispielsweise wenigstens eine zusätzliche Linse 19 und ggf. wenigstens eine zusätzliche Aperturblende 20, zwischen dem optischen Element 14 und der Kameraeinrichtung 7 ergeben sich unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe für die Aufnahmen der Messbereiche 9, 10 durch die Kameraeinrichtungen 7, 8. Bei gleicher Größe der Bildsensoren der Kameraeinrichtungen 7, 8 ergeben sich daraus zwei unterschiedlich große Messbereiche 9, 10. Der kleinere Messbereich 9, der mit stärkerer Vergrößerung aufgenommen wird, liegt dabei, wie in 2 dargestellt, innerhalb des größeren Messbereiches 10, der mit geringerer Vergrößerung aufgenommen wird. Vorzugsweise liegt der kleinere Messbereich 9 in der Mitte des größeren Messbereiches 10. Alternativ können jedoch auch andere relative Positionierungen der Messbereiche 9, 10, beispielsweise eine randseitige Lage des Messbereichs 9 im Messbereich 10, vorgesehen sein.
Die von der Messzone 5 auf das optische Element 14 auftreffende Lichtstrahlung wird durch das optische Element 14 derart in zwei Strahlungsteile aufgeteilt, dass der kleinere Messbereich 9 mit einer höheren Intensität als der größere Messbereich 10 ausgeleuchtet wird. Das Verhältnis der Intensitätsaufteilung auf die beiden Strahlungsteile wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass gleiche Verstärkungseinstellungen bzw. Gain-Werte für beide Kameraeinrichtungen 7, 8 verwendet werden können.
Bei der in 3 gezeigten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist ein weiteres optisches Element 21 zur Aufteilung eines an dem ersten optischen Element 14 erzeugten Strahlungsteils in zwei weitere Strahlungsteile und eine weitere Kameraeinrichtung 22 vorgesehen. Mit den drei Kameraeinrichtungen 7, 8, 22 werden insgesamt drei Messbereiche 9, 10, 23 aufgenommen. Die Messbereiche 9, 10, 23 sind in drei Objektebenen 12, 13, 24 angeordnet, wobei die Objektebenen 12, 13, 24 parallel zueinander angeordnet sein können oder wobei wenigstens zwei Objektebenen 12, 13, 24 zusammenfallen können.
Vorliegend werden zwei Messbereiche 10, 23 von den Kameraeinrichtungen 7, 22 mit gleicher Vergrößerung aufgenommen. Diese größeren Messbereiche 10, 23 liegen dabei vorzugsweise in parallelen Objektebenen 13, 24, die in Richtung der optischen Achse voneinander beabstandet sind. Der kleinere Messbereich 9 wird mit einer stärkeren Vergrößerung aufgenommen und liegt in der Objektebene 12, die mit der Objektebene 13 des größeren Messbereiches 10 zusammenfällt. Die Messvolumina 25, 26 der beiden größeren Messbereiche 10, 23 gehen dabei ineinander über, so dass sich ein breiter Bereich mit für die Auswertung ausreichender Abbildungsschärfe ergibt. Dadurch kann die Detektionswahrscheinlichkeit für kleine Partikel erhöht werden, was zu einer besseren Übereinstimmung der Auswertungsstatistik mit der tatsächlichen Partikelgrößenverteilung führt. Das Messvolumen 27 des kleineren Messbereiches 9 liegt vorzugsweise innerhalb von einem Messvolumen 25, 26 wenigstens eines der beiden größeren Messbereiche 10, 23.
Alternativ können die Objektebenen 13, 24, in denen die größeren Messbereiche 10, 23 liegen, auch zusammenfallen. Durch den Einsatz entsprechend ausgebildeter unterschiedlicher Kameraeinrichtungen 7, 22, eine entsprechende Ausgestaltung des optischen Elements 21 und/oder etwaiger weiterer, den Kameraeinrichtungen 7, 22 zugeordneter optischer Komponenten der Abbildungsoptik 11, beispielsweise Filter, wird zusätzlich zur räumlichen Abbildung beispielsweise der Zugang zu spektralen bzw. chromatischen Informationen ermöglicht.
Es versteht sich, dass alternativ lediglich wenigstens ein optisches Element in ähnlicher Weise wie zuvor beschrieben im Strahlengang zur Kameraeinrichtung 8 vorgesehen sein kann, so dass der vom ersten optischen Element 14 ausgehende und der Kameraeinrichtung 8 zugeordnete Strahlungsteil in zwei Strahlungsteile zerlegt wird.
Bei einer weiteren, alternativen in 5 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 weist die Abbildungsoptik 11 drei optische Elemente 14, 21, 28 sowie vier Kameraeinrichtungen 7, 8, 22, 29 auf. Hierdurch ergeben sich vier den Kameraeinrichtungen 7, 8, 21, 29 zugeordnete Messbereiche 9, 10, 23, 30. Vorzugweise nehmen dabei zwei Kameraeinrichtungen 8, 29 gleich große kleinere Messbereiche 9, 30 mit gleicher stärkerer Vergrößerung auf und die beiden anderen Kameraeinrichtungen 7, 22 gleich große größere Messbereiche 10, 23 mit gleicher geringerer Vergrößerung auf.
Vorliegend sind jeweils zwei mit gleicher Vergrößerung von den Kameraeinrichtungen 7, 22 bzw. 8, 29 aufgenommene Messbereiche 10, 23 bzw. 9, 30 in Objektebenen 12, 13, 24, 31 angeordnet, wobei die Objektebenen 13, 24, in denen die größeren Messbereiche 10, 23 liegen, und die Objektebenen 12, 31, in denen die kleineren Messbereiche 9, 30 liegen, jeweils in Richtung der optischen Achse voneinander beabstandet sind. Die Messvolumina 25, 26 der beiden größeren Messbereiche 10, 23 gehen dabei ineinander über. Das Gleiche gilt für die Messvolumina 27, 32 der beiden kleineren Messbereiche 9, 30. Dadurch werden breite durchgehende Bereiche mit für die Auswertung ausreichender Abbildungsschärfe für beide Messbereichspaarungen erzielt. Dadurch kann wiederum die Detektionswahrscheinlichkeit für kleine Partikel erhöht und es kann gleichzeitig ein großer dynamischer Messbereich erreicht werden. Die Messvolumina 27, 32 der kleineren Messbereiche 9, 30 liegen vorzugsweise innerhalb der Messvolumina 25, 26 der beiden größeren Messbereiche 10, 23.
Es ist darüber hinaus möglich, dass jeweils zwei mit gleicher Vergrößerung aufgenommene Messbereiche 9, 30 bzw. 10, 23 in Objektebenen 12, 31 bzw. 13, 24 liegen, die zusammenfallen. Hierdurch wird wiederum zusätzlich zur räumlichen Abbildung beispielsweise der Zugang zu spektralen bzw. chromatischen Informationen ermöglicht.
Vorzugsweise fallen die Objektebenen 13, 24 der größeren Messbereiche 10, 23 und die Objektebenen 12, 31 der kleineren Messbereiche 9, 30 jeweils zusammen. Im Ergebnis liegen damit die Objektebenen 12, 13, 24, 31 aller Messbereiche 9, 10, 23, 30 in einer gemeinsamen Ebene.
Bei einer Übereinstimmung der Messvolumina 27, 32 bzw. 25, 26 der jeweils mit gleicher Vergrößerung aufgenommenen Messbereiche 9, 30 bzw. 10, 23 ist es möglich, durch den Einsatz entsprechend ausgebildeter unterschiedlicher Kameraeinrichtungen 8, 29 bzw. 7, 22, eine entsprechende Ausgestaltung der optischen Elemente 21, 28 und/oder etwaiger weiterer, den Kameraeinrichtungen 8, 29 bzw. 7, 22 zugeordneter optischer Komponenten der Abbildungsoptik 11, beispielsweise Filter, zusätzlich zur räumlichen Abbildung spektrale bzw. chromatische Informationen zu erhalten, während gleichzeitig ein großer dynamischer Messbereich gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Partikel
3: Partikelstrom
4: Zuführeinrichtung
5: Messzone
6: Beleuchtungseinrichtung
7: Kameraeinrichtung
8: Kameraeinrichtung
9: Messbereich
10: Messbereich
11: Abbildungsoptik
12: Objektebene
13: Objektebene
14: optisches Element
15: Bildebene
16: Bildebene
17: Linse
18: Aperturblende
19: Linse
20: Aperturblende
21: optisches Element
22: Kameraeinrichtung
23: Messbereich
24: Objektebene
25: Messvolumen
26: Messvolumen
27: Messvolumen
28: optisches Element
29: Kameraeinrichtung
30: Messbereich
31: Objektebene
32: Messvolumen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19802141 C1 [0003, 0015]
EP 1972921 A1 [0003, 0006]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, von Partikeln (2) in einem Partikelstrom (3), mit einer Zuführeinrichtung (4) zum Zuführen der Partikel (2) zu einer Messzone (5), wobei die Partikel (2) die Messzone (5) durchströmen, mit wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (6) zum Beleuchten der Messzone (5), mit wenigstens zwei Kameraeinrichtungen (7, 8), die jeweils einen der dementsprechenden Kameraeinrichtung (7, 8) zugeordneten Messbereich (9, 10) der Messzone (5) aufnehmen, wobei eine erste Kameraeinrichtung (7) einen ersten, vorzugsweise größeren, Messbereich (10) mit einer ersten, vorzugsweise geringeren, Vergrößerung aufnimmt und eine zweite Kameraeinrichtung (8) einen zweiten, vorzugsweise kleineren, Messbereich (9) mit einer zweiten, vorzugsweise stärkeren, Vergrößerung aufnimmt, mit einer Abbildungsoptik (11) zur Abbildung der Messbereiche (9, 10) und mit einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform aus den Aufnahmen der Messbereiche (9, 10) dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (11) wenigstens ein optisches Element (14) aufweist, an dem und/oder von dem die von der Messzone (5) ausgehende Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile aufgeteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messbereiche (9, 10) in parallelen oder zusammenfallenden Objektebenen (12, 13) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von zwei Objektebenen (12, 13) voneinander derart einstellbar ist, dass ein einem stärker vergrößerten Messbereich (9) zugeordnetes Messvolumen (27) vollständig in einem einem weniger stark vergrößerten Messbereich (10) zugeordneten Messvolumen (25) liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14) derart ausgebildet ist, dass die beiden Strahlungsteile unterschiedliche Lichtintensitäten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Kameraeinrichtungen (7, 8, 22) vorgesehen sind und dass die Abbildungsoptik (11) wenigstens ein weiteres optisches Element (21) aufweist, an dem ein Strahlungsteil in zwei weitere Strahlungsteile aufgeteilt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Objektebenen (12, 13, 24, 31) von wenigstens zwei Messbereichen (9, 10, 23, 30) voneinander derart einstellbar ist, dass ein Messvolumen (25, 27) eines Messbereichs (9, 10) und ein Messvolumen (26, 32) eines weiteren, vorzugsweise gleich großen, Messbereichs (23, 30) ineinander übergehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (11) wenigstens zwei optische Elemente (14, 21) aufweist, wobei ein optisches Element (14) Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile mit gleichem Spektrum bzw. gleicher Farbe und/oder gleicher Polarisation und ein anderes optisches Element (21) Lichtstrahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile mit unterschiedlichen Spektren bzw. Farben und/oder unterschiedlichen Polarisationen aufteilt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (11) derart ausgebildet ist, dass zur Aufnahme eines vorzugsweise identischen Messvolumens (25, 26, 27, 32) wenigstens zwei Kameraeinrichtungen (7, 8, 22, 29) vorgesehen sind, die unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich wellenlängenabhängige, Detektionseigenschaften aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (11) wenigstens eine Linse (17, 19) mit variabler, insbesondere elektrisch veränderbarer, Brennweite aufweist.
Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße und/oder der Partikelform und/oder optischer Eigenschaften, wie Transparenz, von Partikeln (2) in einem Partikelstrom (3), wobei die Partikel (2) eine Messzone (5) durchströmen, wobei die Messzone (5) von wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (6) beleuchtet wird, wobei von wenigstens zwei Kameraeinrichtungen (7, 8) jeweils ein der entsprechenden Kameraeinrichtung (7, 8) zugeordneter Messbereich (9, 10) der Messzone (5) aufgenommen wird, wobei von einer ersten Kameraeinrichtung (7) ein erster, vorzugsweise größerer, Messbereich (10) mit einer ersten, vorzugsweise geringeren, Vergrößerung aufgenommen wird und von einer zweiten Kameraeinrichtung (8) ein zweiter, vorzugsweise kleinerer Messbereich (9) mit einer zweiten, vorzugsweise stärkeren, Vergrößerung aufgenommen wird, wobei die Messbereiche (9, 10) mittels einer Abbildungsoptik (11) abgebildet werden und wobei mittels einer Auswertungseinrichtung die Partikelgröße und/oder die Partikelform aus den Aufnahmen der Messbereiche (9, 10) bestimmt wird dadurch gekennzeichnet, dass die von der Messzone (5) ausgehende Lichtstrahlung mittels wenigstens eines optischen Elements (14) der Abbildungsoptik (11) in wenigstens zwei Strahlungsteile aufgeteilt wird.